Стекло и стеклянные изделия

Стекло и стеклянные изделия

 

 СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Общие сведения

 

2. Стекло и его свойства

 

3. Стеклянные материалы

 

3.1 Листовое светопрозрачное и светорассеивающее стекло

 

3.2 Светопрозрачные изделия и конструкции

 

3.3 Облицовочные изделия  из стекла

 

3.4 Изделия из пеностекла

 

3.5 Материалы на основе  стекловолокна

 

4. Ситаллы, шлакоситаллы и ситаллопласты

 

4.1 Ситаллы

 

4.2 Шлакоситаллы

 

4.3 Ситаллопласты

 

5. Изделия из каменных  расплавов

 

6. Использование отходов  в производстве плавленых изделий

 

 Заключение

 

 Список литературы

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

 

 Стекло – все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел; причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

 

 По масштабам применения  первое место принадлежит строительству,  в котором оно применяется  не только для устройства световых  приемов, но и в качестве  конструктивного и отделочного  материала. За 3 – 4 тыс. лет  до н.э. производство стекла было известно египтянам, в этот период стекольные изделия изготовлялись путем пластического формирования и прессования. Значительное развитие получило стеклоделие в Венеции, которая оставалась мировым центром стеклоделия до XVII века. Венецианское стекло, отличающееся большой художественной ценностью, проникало в другие страны Европы и ближнего Востока.

 

 В России в 1635 году  шведом Елисеем Койотом на пустоши Духанино в Дмитровском уезде был построен стекольный завод. Вслед за Духанинским был открыт казенный завод в Измайлове (1669-1710). Здесь наряду с иноземцами работали и русские мастера, которые осваивали основные приемы европейского стеклоделия. Начало XVIII в. можно назвать периодом подъема стеклоделия. Важной вехой его развития в России явилось открытие стекольного завода на Воробьевых горах под Москвой, построенного также по инициативе Петра I. В 1706 завод уже работал. Основными видами продукции Воробьевского завода были литые зеркала и зажигательные стекла. Стекло варилось, затем выливалось на медную доску, прокатывалось медным катком, шлифовалось, полировалось и под него подводилась амальгама. При этом размеры зеркал были самыми большими в Европе того времени. Наиболее широкое развитие стеклянная промышленность получила в СССР. В годы первых пятилеток был построен ряд крупнейших стекольных заводов, в том числе заводы-гиганты в г. Гусь-Хрустальный, Горьком, Улан-Удэ, Дагестане и т.д. Основную массу продукции составляло оконное листовое стекло, его производили в мощных печах S = 650 – 700 м2. Наряду с «лодочным» способом вертикального вытягивания стекла внедряется в промышленность «безлодочный» способ, повышающий скорость вытягивания на 15 – 20 %.

 

 

2. СТЕКЛО И ЕГО СВОЙСТВА

 

 

 Свойства стекла определяются прежде всего, составом входящих в него оксидов. Главными стеклообразующими оксидами являются оксиды кремния, фосфора и бора, в соответствии с чем стекла называют силикатными, фосфатными или боратными. Подавляющее большинство промышленных стекол является силикатными. Фосфатные стекольные расплавы применяют в основном для производства оптических, электровакуумных стекол, боратные – для специальных видов стекол (рентгенопрозрачных, реакторных и др.). Смешанные боросиликатные стекла применяют для изготовления оптических и термически устойчивых стеклоизделий.

 

 Химический состав  стекол в значительной степени  влияет на их свойства. Строительное  стекло содержит 71,5 – 72,5 % SiO2, 1,5 –  2 % Al2O3, 13 – 15 % Na2O, 6,5 – 9 % CaO, 3,8 – 4,3 % MgO и незначительное количество других оксидов (Fe2O3, K2O, SO3). Увеличение содержания оксидов Al2O3, CaO, ZnO, B2O3, BaO повышает прочность, твердость, модуль упругости стекла и снижает его хрупкость. Повышенное содержание SiO2,Al2O3, B2O3, Fe2O3 увеличивает теплопроводность. Оксиды щелочных металлов, а так же CaO, BaO повышают температурный коэффициент линейного расширения, а SiO2, Al2O3, ZnO, B2O3, ZrO2 уменьшают его. Введение в состав стекла оксида свинца взамен части SiO2 и Na2O вместо K2O приводит к повышению блеска и световой игры, что позволяет получать хрустальные изделия. Добавки фторидов и пятиокиси фосфора уменьшают светопрозрачность стекол, позволяют получать «глушенные», непрозрачные стеклоизделия. Таким образом, варьирование химического состава стекол позволяет изменить их свойства в нужном направлении в соответствии с областью их использования.

 

 Стекло как строительный  материал обладает целым рядом  ценных качеств, не свойственных  другим материалам, и прежде всего,  светопрозрачностью при высокой плотности и прочности, в связи с чем оно является незаменимым материалом для светопроемов.

 

 Плотность обычного  строительного стекла составляет 2,5 т/м3. С увеличением содержания  оксидов металлов с низкой  молекулярной массой (B2O3, LiO2) плотность  стекла понижается до 2,2 т/м3, с  увеличением содержания оксидов  тяжелых металлов (свинца, висмута  и др.) плотность повышается до 6 т/м3 и более.

 

 Прочность при сжатии  стекла достигает 700 – 1000 МПа,  прочность при растяжении значительно  ниже – 30 – 80 МПа. Прочностные  показатели изделий из стекла  зависят не только от состава,  но и от целого ряда других  факторов: способа получения, режима  тепловой обработки, состояния  поверхности, размеров изделия.  Низкая прочность стекла при  растяжении и изгибе обусловлена  наличием на его поверхности  микротрещин, микронеоднородностей и других дефектов. Теоретическая прочность стекла при растяжении, рассчитанная различными способами, достигает 10000 МПа.

 

 Для повышения прочности стекол применяют различные технологические приемы: повышение температуры отжига, закалку, травление и комбинированные методы, покрытие поверхности различными пленками, микрокристаллизация, армирование, триплексование и др. При травлении стекла плавиковой кислотой происходит растворение поверхностного слоя и удаление наиболее опасных дефектов, в результате чего прочность стекла повышается в 3 – 4 раза и более. Закаливание отожженных стекол увеличивает прочность в 4 – 5 раз. Комбинированные способы закалки и травления позволяют значительно повысить прочность стекла (до 800 – 900 МПа). Упрочнение стекла после травления путем нанесения силиконовой пленки приводит к повышению прочности стекла в 5 – 10 раз.

 

 Термохимический способ  упрочнения стекол заключается  в закалке с последующей обработкой  кремнийорганической жидкостью,  что позволяет получить закаленное  стекло с защитной кремнекислородной  пленкой и прочностью при изгибе  до 550 – 570 МПа.

 

 На прочность стекла  при растяжении и изгибе в  значительной мере влияет размер  изделия. Так, прочность на  растяжение стеклянного волокна  диаметром 10-3 мм достигает 200 –  500 МПа, что значительно выше  показателей для массивного стекла. Воздействие длительных нагрузок  снижает прочность стекла примерно  в 3 раза, после чего значение  этого показателя стабилизируется.  Наступает так называемое явление  усталости стекла, которое обусловлено  влиянием окружающей среды, и  прежде всего воды. Прочность  стекла изменяется с изменением  температуры. Стекло имеет минимальную  прочность при +2000С, максимальную  при – 2000С и +5000С. Увеличение  прочности при понижении температуры  объясняют уменьшением действия  поверхностно-активных веществ (влаги), а при высоких температурах (до 5000С) возможностью появления пластических  деформаций.

 

 Модуль упругости стекол  лежит в пределах 45000 – 98000 МПа.  Отношение модуля упругости к  прочности при растяжении (Е/Rp) – так называемый показатель хрупкости стекла – достигает 1300 – 1500 (у стали он составляет 400 – 450, у резины – 0,4 – 0,6). Чем больше показатель хрупкости материала, тем при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела прочности.

 

 Стекла являются типично  хрупкими материалами. Они практически  не испытывают пластической деформации  и разрушаются, как только напряжение  достигает предела упругой деформации. Хрупкость стекла – величина обратная ударной прочности. Ударная прочность при изгибе обычного стекла составляет 0,2 МПа, закаленного – 1 – 1,5 МПа. Хрупкость можно снизить увеличением содержания в стекле оксидов B2O3, Al2O3, MgO, а так же закалкой стекол, травлением кислотой и другими способами его упрочнения. Твердость обычных силикатных стекол составляет 5 – 7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло и борсодержащие малощелочные стекла имеют большую твердость.

 

 Теплоемкость промышленных  стекол колеблется в пределах 0,3 – 1,1 кДж/(кг*0С), увеличиваясь с повышением температуры и содержания оксидов легких металлов.

 

 Температурный коэффициент  линейного расширения обычных  строительных стекол сравнительно  невысок, он лежит в пределах (9 – 15)*10-6 0С-1, увеличиваясь с повышением  содержания в стекле щелочных  металлов. Наименьший температурный  коэффициент линейного расширения  у кварцевого стекла: 5*10-7 0С-1.

 

 Термостойкость стекол  определяется совокупностью термических  свойств (теплоемкостью, теплопроводностью,  температурным коэффициентом линейного  расширения), а так же размерами  и формой изделия. Кварцевые  и боросиликатные стекла имеют  наибольшую термостойкость. Тонкостенные  изделия более термостойки, чем  толстостенные.

 

 Электрические свойства  стекла оцениваются объемной  и поверхностной электропроводностью.  Электропроводность определяет  возможность применения стекол  в качестве изоляторов и учитывается  при расчете режимов работы  стекловарных электропечей. При  нормальной температуре объемная  электрическая проводимость стекол  мала. С возрастанием температуры  она повышается. Увеличение содержания  в составе щелочных оксидов,  особенно оксида лития, повышает  электропроводность стекол. Закалка  стекол приводит к увеличению  их электропроводности, кристаллизация  – к ее уменьшению.

 

 Стекло обладает просто  уникальными оптическими свойствами: светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием. Светопропускание стекла достигает  92%. Оно находится в прямой зависимости  от его отражающей и поглощающей  способности. Показатель преломления  для обычных строительных стекол  составляет 1,46 – 1,51. Он определяет  светопропускание стекол при  разных углах падения света.  При изменении угла падения  света с 00 (перпендикулярно плоскости  стекла) до 750 светопропускание уменьшается  с 92 до 50%. Коэффициент отражения  может быть снижен или увеличен  путем нанесения на поверхность  стекла специальных прозрачных  пленок определенной толщины  и с меньшим или большим  показателем преломления, избирательно  отражающих лучи с определенной  длиной волны.

 

 Поглощающая способность  стекла в значительной степени  зависит от его химического  состава, увеличиваясь с повышением  содержания оксидов тяжелых металлов, и от толщины изделий. Многие  специальные виды стекол (например, солнцезащитные) отличаются значительным светопоглощением – до 40%.

 

 Обычные силикатные  стекла хорошо пропускают всю  видимую часть спектра и незначительную  часть ультрафиолетовых и инфракрасных  лучей.

 

 Поглощение ультрафиолетовой  области спектра достигается  увеличением содержания в стекле  оксидов титана, свинца, хрома, сурьмы, трехвалентного железа и сульфидов  тяжелых металлов. Поглощение инфракрасной  области спектра достигается  при окраске стекла Fe2+ и Cr2+. Кварцевые  стекла хорошо пропускают коротковолновую  инфракрасную и ультрафиолетовую  области спектра, а сернистомышьяковые стекла – длинноволновые инфракрасные излучения. Для пропускания ультрафиолетовых лучей содержание оксидов железа, титана, хрома в стекольной шихте должно быть минимальным. Стекла, пропускающие рентгеновские лучи, содержат оксиды легких металлов – L2O, BeO, B2O3. Таким образом, изменяя химический состав стекол и применяя различные технологические приемы, можно получить специальные виды стекол с солнце- и теплозащитными свойствами, предопределяющими теплотехнические и светотехнические показатели светопрозрачных ограждений.

 

 Химическая устойчивость  стекол характеризует их сопротивляемость  разрушающему действию водных  растворов, атмосферных воздействий  и других агрессивных сред. Силикатные  стекла отличаются высокой стойкостью  к большинству химических реагентов,  за исключением плавиковой и  фосфорной кислот. Химическая устойчивость  силикатных стекол объясняется  образованием при воздействии  воды, кислот и солей защитного  нерастворимого поверхностного  слоя из гелеобразной кремнекислоты  – продукта разложения силикатов.

 

3. СТЕКЛЯННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

 

 Листовое светопрозрачное и светорассеивающее стекло

 

 

 Витринное стекло производится  двух марок: М7 - полированное и М8 - неполированное, толщиной 6,5-12 мм и максимальных размеров 3000x6000 мм. Применяется для остекления витрин, витражей и окон общественных зданий. Светопропускание витринных стекол 75-83%.

 

 Стекло листовое узорчатое  имеет на одной или обеих  сторонах четкий рельефный узор  и изготовляется способом проката.  Узорчатое стекло бывает бесцветным  и цветным, окрашенным в массе  или нанесением на поверхность  его пленок оксидов различных  металлов. Применяется для декоративного  остекления оконных и дверных  проемов, внутренних перегородок,  крытых веранд и т.д. Для  этих же целей применяется  листовое стекло "мороз", имеющее  на одной стороне узор, напоминающий  заиндевевшее стекло.

 

 Армированное листовое  бесцветное и цветное стекло  для устройства световых проемов,  фонарей верхнего света, ограждений  в зданиях и сооружениях различного  назначения. Армированное стекло  может иметь обе поверхности  или одну поверхность гладкими, рифлеными или узорчатыми. Для армирования применяется сварная или крученая сетка из стальной проволоки со светлой поверхностью или с защитным алюминиевым покрытием. Диаметр проволоки сетки 0,45-0,60 мм. Сетка имеет квадратные или шестиугольные ячейки размерами 12,5 и 25 мм. Армированное стекло отличается повышенной прочностью и огнестойкостью. Светопропускание бесцветного армированного стекла 65-75%.